一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构制造技术

本发明专利技术公开了一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构，真空室扇区为沿极向环绕的1/8扇区，该1/8扇区由四个1/32扇区组成，每个1/32扇区由内、外壳体和两侧竖筋板构成密封的腔体结构，腔体结构中充入有具有屏蔽功能的冷却水，两侧竖筋板之间连接有多道横筋板，每道横筋板中分别设有通孔，使冷却水流构成回路。本发明专利技术每个扇区采用独立的水冷循环结构，有利于真空室水冷系统发生故障时候的故障排查和维修，增大了冷却水和真空室内外壳体的接触面积和冷却流道截面积，从而增大了排热效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构
本专利技术涉及核聚变堆真空室水冷结构领域，具体是一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构。
技术介绍
核聚变堆真空室是超导托卡马克核聚变堆装置中一个十分重要的核心部件，真空室位于磁体和冷屏内侧，包围着内部部件并为其提供可靠的支撑，是一个环绕着等离子体的双层结构。它最主要的功能是为等离子体提供高质量的真空运行环境。真空室在聚变堆运行寿命期间，会承受大量的热负荷，在正常运行条件下，真空室总的热量沉积主要是因为核热产生；在非正常的运行时，主要热载是来自包层和偏滤器的热辐射；在烘烤工况下，冷却水温上升到主真空室和内部部件所需要的烘烤条件温度。在正常工况下，真空室总热功率的设计值主要是核热，热量不均匀地沉积在真空室上，特别高的热沉淀一般在中子流区域，如包层模块之间，真空室上不均匀的热量被去除，使得真空室没有任何过热而导致的过量的热应力。为了保持真空室在热应力条件下的结构完整性，真空室水冷系统设计需要保持真空室内壁上的核热要小于0.4MW/m3。此外，真空室冷却剂流速的选择需要保持内壁水表面的冷却剂的传热系数大于500W/m2/K，在此条件下，真空室主要是通过强制湍流，同时也部分通过自然对流，保持换热系数在500W/m2/K之上。选择冷却剂进口温度要和包层冷却水的温度一致，这样可以保持不同的集合管压强在可接受的水平上，冷却剂进口压强被选为避免沸腾的最小压强。在非正常工况下，如多个冷却泵跳闸，考虑到衰变热主要在包层和偏滤器中产生，因此主要热载是来自包层和偏滤器的热辐射，相比之下真空室自身的核热可以忽略不计，真空室总体热辐射的最大设计热载约为0.83MW。同时由于真空室在制造和升级的过程中，长时间暴露在大气之后，导致装置内壁吸附大量的H2O,N2和O2气体，以及一些工程安装残留下来的油和其他碳氢化合物，因此需要进行高强度的壁处理来获得高质量的真空环境。因此在烘烤工况下要求水温上升到主真空室和部件所需要的烘烤条件，此时入口水压强升高到2.4MPa，通过热交换器避免冷却剂的沸腾，真空室加热到200℃，以<5℃/h的速率升温，并保持200℃24个小时，最后以<5℃/h的速率降温。真空室在整个核聚变装置寿命期内承受着抽真空，烘烤加热，降温等过程，在这过程中真空室承受内外巨大温差和一定压强差引起的应力作用，因为真空室外部是冷屏约为零下269℃，内部等离子体反应区温度高达上千万甚至上亿摄氏度，而且还发生等离子体破裂（MD），垂直位移事件（VDE）等各种复杂工况，真空室承受着巨大的瞬时热载荷和电磁载荷冲击，直接影响到装置的安全运行和实验。而且真空室的高17.4m，大半径19.5m，小半径也5.7m，对这么大的双层曲面真空容器，其冷却系统的设计尤为重要。目前大部分核聚变装置采用40度左右一个大扇区，每个大扇区由多个小扇区组成，冷却水通道都是通过水管分布在真空室内外壳体之间，水管直径比较有限，冷却水流道截面积有限，因此其冷却排热能力一般，并且每个大扇区下的小扇区进出水口共用一个，故障排除比较困难，有很大的局限性。现在的CFETR中国聚变工程实验堆真空室预研件采用45度为一个1/8扇区，1/8扇区由四个11.25度的1/32扇区组成，通过设计使真空室内外壳体的夹层之间充满着浸泡式的循环冷却水，对真空室进行冷却，两层壳体之间还设计了各种加强筋板，筋板不仅起到使每个扇区在极向方向上都形成独立冷却水路通道的作用，还可以加强真空室的结构强度。为了满足上述各种要求和解决碰到的难题，需要设计一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构，同时包括内部横筋板和两侧竖筋板的设计，以及冷却水路循环系统的流动方向设计，用来满足核聚变堆真空室的冷却及烘烤要求，并且方便于水冷系统出现故障时候的问题点排查以及维修。
技术实现思路
本专利技术目的是弥补已有技术的缺陷，提供一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构，所述真空室扇区为沿极向环绕的1/8扇区，该1/8扇区由四个1/32扇区组成，1/8扇区中间上、中、下部位置分别一一对应布置有真空室扇区上窗口、真空室扇区中窗口、真空室扇区下窗口，其特征在于：每个1/32扇区由沿极向环绕的内、外壳体，内、外壳体之间空隙两侧连接的竖筋板，两侧竖筋板之间连接的多道横筋板组成，由内、外壳体和两侧竖筋板构成密封的腔体结构，腔体结构中充入有具有屏蔽功能的冷却水，每道横筋板中分别设有通孔,使冷却水流构成回路；冷却水流经真空室底部的真空室扇区下窗口，沿着内部的一个独立水循环结构流动，向上流入到真空室顶端的真空室扇区上窗口的内部收集结构；冷却水管采用主回路+并联支路设计，四个支路进水口分别控制四个1/32扇区冷却水的输入，四个支路出水口分别控制四个1/32扇区冷却水的输出，每个支路进出水管道分别设置阀门控制水流的开关，支路冷却水管穿过窗口、竖筋板独立连接至各个1/32扇区。所述的一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构，其特征在于：两侧竖筋板非平行，即两侧竖筋板之间具有夹角。所述的一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构，其特征在于：每侧竖筋板分别由多个沿极向分布并依次首尾连接的竖筋板块体构成。所述的一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构，其特征在于：两侧竖筋板中，对应的竖筋板块体之间连接的横筋板数量至少为一块。所述的一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构，其特征在于：1/8真空室扇区两外侧竖筋板的横截面为T形，中间竖筋板的横截面为长方形。本专利技术中，横筋板在合适的位置上开通孔，从而使真空室扇区构成独立的浸泡式的水冷结构。通孔的直径b具体尺寸根据冷却剂流速和真空室内外壳体之间所需强度计算得出，目前的CFETR真空室加工样件为100m。横筋板和T形的竖筋板的组合不仅起到使每个扇区在极向方向上都形成独立冷却水路通道的作用，还可以加强真空室的结构强度。本专利技术中，两侧竖筋板的夹角为a，夹角a的具体尺寸根据真空室整体设计所需分区数确定，目前的CFETR真空室加工样件为11.25度。本专利技术中，所有筋板均采用厚c的316L不锈钢制造，厚c的具体尺寸根据真空室内外壳体强度计算确定，目前的CFETR真空室加工样件为40mm，每个扇区的内外壳体之间形成独立的浸泡式的水路通道。聚变堆真空室水温维持在100℃（真空室内部件烘烤期间为200℃）左右，真空室内部部件冷却温差限制在50℃左右。正常工况下，为了保持真空室热应力条件下结构完整性，水冷系统设计需要保持真空室内壁上的核热小于0.4MW/m3，由于70%的热量是沉积在内壳和第一屏蔽板上，设计流道要允许水主要是通过内壳和第一屏蔽板之间，需要内壁水表面的冷却剂换热系数在500W/m2/K之上，设计冷却剂流速需要实现这一基本的要求。在这个冷却剂流速下，真空室主要是通过强制湍流排热，部分通过自然对流排热。在非正常情况下，如多个冷却泵跳闸，衰变热将主要在包层和偏滤器中产生，主要热载是来自包层和偏滤器的热辐射，此时真空室总体热辐射的最大设计热载约为0.83MW，这些衰变热主要是通过水的强制对流带走。本专利技术的优点是：本专利技术核聚变堆真空室扇段区浸泡式的水冷结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构，所述真空室扇区为沿极向环绕的1/8扇区，该1/8扇区由四个1/32扇区组成，1/8扇区中间上、中、下部位置分别一一对应布置有真空室扇区上窗口、真空室扇区中窗口、真空室扇区下窗口，其特征在于： 每个1/32扇区由沿极向环绕的内、外壳体，内、外壳体之间空隙两侧连接的竖筋板，两侧竖筋板之间连接的多道横筋板组成，由内、外壳体和两侧竖筋板构成密封的腔体结构，腔体结构中充入有具有屏蔽功能的冷却水，每道横筋板中分别设有通孔,使冷却水流构成回路；冷却水流经真空室底部的真空室扇区下窗口，沿着内部的一个独立水循环结构流动，向上流入到真空室顶端的真空室扇区上窗口的内部收集结构；冷却水管采用主回路+并联支路设计，四个支路进水口分别控制四个1/32扇区冷却水的输入，四个支路出水口分别控制四个1/32扇区冷却水的输出，每个支路进出水管道分别设置阀门控制水流的开关，支路冷却水管穿过窗口、竖筋板独立连接至各个1/32扇区。

【技术特征摘要】
1.一种用于核聚变堆真空室扇区浸泡式的水冷结构，所述真空室扇区为沿极向环绕的1/8扇区，该1/8扇区由四个1/32扇区组成，1/8扇区中间上、中、下部位置分别一一对应布置有真空室扇区上窗口、真空室扇区中窗口、真空室扇区下窗口，其特征在于：每个1/32扇区由沿极向环绕的内、外壳体，内、外壳体之间空隙两侧连接的竖筋板，两侧竖筋板之间连接的多道横筋板组成，由内、外壳体和两侧竖筋板构成密封的腔体结构，腔体结构中充入有具有屏蔽功能的冷却水，每道横筋板中分别设有通孔,使冷却水流构成回路；冷却水流经真空室底部的真空室扇区下窗口，沿着内部的一个独立水循环结构流动，向上流入到真空室顶端的真空室扇区上窗口的内部收集结构；冷却水管采用主回路+并联支路设计，四个支路进水口分别控制四个1/32扇区冷却水的输入，四个支路出...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆坤，覃世军，汪青峰，徐壮，吴杰峰，宋云涛，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34